JPS605436B2 - ロボツトシステムにおける把握手段および把握方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 この発明は、ロボットシステムに使用して便な把握手段
、およびその使用方法に関するものである。

トランスファーマシンとして、物体把握手段を備えたロ
ボットシステムは周知である。

しかしながら、従来のものにあっては、比較的単純な作
業を行ないうるものはあっても、いわゆる高度な適応制
御を可能として高度の作業をなしうるものは、その例が
少なく、また種々の問題点があった。工業用ロボットに
よる作業のうには、腕や手の絶対的な位置決め精度より
も、作業対象との相対的な位置決め精度のほうが重要な
場合が多い。

はめあい組立作業に例をとれば、ロボットに把握された
部品と相手品の位置や姿勢は、はめあいの精度が高くな
るにつれて、正確さが要求されるのであるが、ロボット
が２部品の位置関係を直接認識する手段をもてば、部品
の形状や位置決めのばらつき、あるいはロボット側の腕
のたわみなどの要因にも適応した動作が可能となるもの
である。従来の適応制御の例としては、ロボットの腕や
手首に弾性体を用い、相手の物体にロボットの手を押し
つけてこれより生じるひずみもしくは力を計測し、相互
の位置関係を知り、例えばピンをピン穴にはめ合わせる
ものがある。しかしこれでは、単純な形状のはめあわせ
は可能であっても、複雑な形状の部品の相互の位置決め
やはめ合せには適応が困難であるという問題点があった
。そこで発明者は、組立作業など、物体間の接触や押し
つけを要する作業において、より汎用性をもたせるため
には、物品把握手段における把握力の制御に加えて、把
持剛性（把握部品を把握手段に対して変位させた場合の
、抵抗力と、その変位の比）をも制御可能にすれば、前
述した押しつけや、ならい動作が完全かつ自由に行ない
うろことに着目し、この発明をなすに至ったものである
。この発明の概略は、旋回軸に対称に開閉する３組の把
握爪を設け、これら把握爪をコイルをまねなどの弾性体
を介して開閉駆動を行ない、各把握爪の把握力および関
度を検出可能とした、把握手段を用い、さらに前記弾性
体の見掛け上のばね常数を制御して、任意の方向の把持
剛性を任意に設定できるようにしたものである。以下第
１図、第２図を参照し〜 まず把握手段日について、そ
の実施例を詳述する。

把握手段日は、詳細は図示しないがＸ，Ｙ，Ｚの直交３
軸に沿って位層征御される、公知のロボット装置の腕Ａ
の先端に、垂直旋回軸Ｖまわりに旋回角のを制御可能に
設けられる。

把握手段Ｈ‘こは、軸Ｖに対称に開閉方向を有する３組
の把握爪７，７，７がケーシングＣに関着される。より
詳細に説明しよう。１は爪開閉動力であり、ケーシング
Ｃに設けられる。

動力１は例えばパルスモータなど、制御用コンピュータ
（図示せず。以下同じ。）の指令によって駆動制御され
うる公知のものでよい。この実施例の場合は、その低速
時のトルクが大である点およびその保持特性を有する点
を利用するべく「パルスモータを使用した。２は中間第
１軸である。

軸２はケーシングＣに軸支２ａされる。軸２と動力１の
鞠ｌａとは、平歯車ｌｂ，２ｂによって結合される。軸
２の、平歯車２ｂの設けられている端部と反対側織部に
は、円板２ｃを固設する。円板２ｃにはさらに円筒２ｄ
を一体に突設する。３は中間第２軸である。

軸３はケーシングＣに鞠支３ａされる。髄３の一端には
円板３ｂが間設され、この円板３ｂが円筒２ｄの端面と
微少すき間を有して、かつ向けこ対時するように組付け
される。４は軸２と軸３をフレキシブルに接続するべく
、円筒２ｄに舷装され、その両端が円板２ｃ，３ｂに固
設された、弾性体としての円筒コイルばねである。

５は弾性体歪検出手段としての回転型ポテンショメータ
であり、その本体と軸５ａとは、それぞれ円板２ｃと３
ｂとに同心に間設される。

ポテンショメ−夕５の出力はコンピュータに接続される
。６は把握爪用軸であり、ケーシングＣに軸支６ａされ
らる。

軸６は軸３と、平歯車３ｂ，６ｂによって結合される。
かくして、平歯車ｌｂ，２ｂ、ばね４、平歯車３ｃ，６
ｂなどによって、動力伝達手段Ｐが構成される。

７は爪本体である。

本体７の基端は、、軸６と一体に設けられる。本体７の
先端には、爪７ａを設ける。この実施例にあっては、垂
直な軸によって回転自在に支承されたローラ爪７ａを構
成する。８は爪本体７の開度検出手段としての回転型ポ
テンショメータであり、本体はケーシングＣに、軸８ａ
は軸６に、それぞれ固設される。

次に以上のような把握手段日を有するロボットシステム
を使用して、適応制御を行なう一例を詳述する。

今第３図図示のような平面形状の棒状体部品Ｗがあり、
この部品Ｗの側面を、固部品の側面Ｓ，およびＳ２に沿
わせて密着させるものとする。

部品Ｗに固定された直交座標軸をき，りとし、その原点
は平面形状の重心と一致させる。側面Ｓ，およびＳ２は
、空間直交座標軸×，Ｙに沿うものとする。把握手段日
によって部品Ｗを把握したときの、軸ぎの鞠×とのなす
角＠を、部品Ｗの姿勢とする。ばね４のちぢみ寸法をひ
ｉとすれば、爪７ａによる物品Ｗに対する力ｆｉは、ば
ね４のばね常数をｋｉとすればｆｉニｋｉひ ｉ………
ｍ 動力１を固定して考えれば、前述した把持剛性は物理的
に定まるものであるが、これを可変とするため、動力１
によりばね４の取付寸法〃ｉを可変としている。

１つの爪７ａの‘まね４のちぢみ〃ｉを、他の２つの爪
７ａの開きと関連させて考え、爪７ａの開き（爪７ａを
最も閉じた位置からの距離）を。

ｉとして、ちぢみひｉが．３ ひ・＝ｊ≧ｌｂｉｊ。

ｊ＋Ｃｉ側肌，■となるようにモータ１のサーボ系を構
成する。

但しｂｉｉおよびｃｉは、把持剛性を調節するための定
数で、これらを任に定めることにより、任意の方向の把
持剛性を調節しうるものである。‘１｝，■式より、力
ｆｉは、ｆｉ＝ｋｊ（子≦．ｂｉｊ。ｊ＋Ｃｉ）……‐
‐‐（３１この（劫式で与えられる力の制御を各爪７ａ
に施し、部品ＷのＸ，Ｙ平面内におけるＹ，Ｙ２方向と
、回転■方向の運動を対象とし、これらの方向の把持剛
性を調節することについて以上説明する。すなわち‘３
’式による力ｆｉが、各爪７ａの開閉方向に作用し、部
品Ｗの重心に×方向の力Ｆｘ、およびＹ方向の力Ｆｙ、
ならびに重心まわりのモーメントＭが作用している。

第４図は、把握手段日と、コンピュータとを含む系のブ
ロック図であり、部品Ｗの位置と姿勢を入力し、部品Ｗ
の受ける力とモーメントとを出力するものである。

すなわち、フロツク１で示される個所は、部品Ｗの位置
Ｘｏ，Ｙｏおよび姿勢■から、各爪７ａについての、開
き。ｉがＬ部品Ｗの平面形状によって定まる関数ｈｉ（
ｘｏ，ｙｏ，■）で表わされることを示している。この
ときコンピュータは、。ｉを計測し、■式の演算を行な
う。ついで、各爪７ａにおけるばね４のちぢみ寸法の目
標値ひｒｉが演算され、このちぢみ寸法の実測値（ポテ
ンショメータ５の出力値）ひｊとの差を、動力１（第４
図においてはＧｍｉで示されている）に出力する。動力
１によるばね４の一端の変位Ａｉと、開き。ｉとの和に
より、ばね４のちぢみ寸法〃ｉは定まり、それにばね４
のばね常数ｋｉを乗じて、力ｆｉとなる。フロック２は
各爪７ａの力ｆｉより、部品Ｗに作用する力Ｆｘ，Ｆｙ
、モーメントＭが定まることを示し、爪７ａの位置や部
品Ｗの姿勢にも関係するため、刈，ｙｏ，■も入力の１
つになつている。次に、部品Ｗに作用する力やモーメン
トと、その変位との関係を考える。

第３図に示す部品Ｗの平面形状が、座標系ま，りで、Ｇ
（■）＝０なる関数であらわせるものとし、Ｘ，Ｙ座標
系でその重′０１０がＸｏ、姿勢■であるとする。各爪
７ａは単位ベクトル肌ｉの方向に開閉され、爪７ａの位
置ｏｉ山ｉが部品Ｗの周面上にあるときは、Ｇ〔Ａ′（
〇ｉ批ｉ−Ｋｏ）〕＝ＯＡは２×２回転行列・・…・・
・…・・・・｛４｝手段印こ把持された物体に作用する
力とモーメントは、指先端のローラ７ａと物体面のころ
がり摩擦を無視すれば、７１ｉは物体面の単位法ベクト
ルのｉはれｉと秋ｉのなす角、とする。

ｆｊのみならず、川ｉ，■ｉおよびＸｉ‘ま物体の位置
Ｘｏ＝（ｘｏ，ｙｏ）′を姿勢餅こ依存する。これらに
適当な変換を旋せば■式は次式のように書きかえられる
。〆＝−形′升 ｛６｝ ここで、技および仇ま３Ｘ１のベクトル、豚ま３×３の
行列で以下の成分をもつ。

ここで偽こ見られる、ａｏｉ／ａＸ。

等‘ま・‘４｝式を用いて計算できる。‘６ー式を物体
の位置と姿勢について線形近似すれば、庁＝夕＋の△父 ここで で・Ｘ。

’ｙ。’＠‘ま近似の中央点である。びおよびのは、３
×１ベクトルと３×３行列で各指の運動のさせ方ｂｉｉ
，ｃｉと下記のような関係にある。ダニ−辰′Ｋ（脂市
＋こ）の＝−〔反側伊ｉ≧，髭′ｉ附随十仁− ＄ｌｉ〕…｛７｝ ここでは、記述を簡単化するため次のベクトルと行列を
用いている。

形の，■ま舵，虻，＄ｉの（Ｘ〇，ｗ，■）での値であ
る。

のと■の意味を考えると、ぞは基準位置 （ｘｏ，ｙｏ，■）での物体に作用する力を表わし、の
は、ここでの物体変位と物体作用力の比を表わしている
。

すなわち■は一種の剛性を表わすもので、把持剛性と呼
ぶ。がゃのを旨の連動のさせ方ｂｉｉとｃｉにより、自
由に調節できるのが本方式の特長である。次‘こ所望の
ヵぞと把持剛性の‘こ調節するには、ｂｉｉやｃｉをど
のように設定すればよいかを導く。

こ机ま、｛７１式を昭と心こついて解くことから次のよ
うに求まる。蛭＝Ｋ−１（皮′）−１〔字解東‐１ぞ・
零丁−の〕（皮）−１〇＝−Ｋ−１（形′）‐１ぞ−Ｋ
−１〈■−・〔孝三年ｉ′（豚′）「 炉・＄
ｉ−■〕疎ｌｍ今第４図に示すようなシステムで、第３
図のような部品Ｗを把握するのに、■の変化に対するＭ
の増加を小さく、Ｘ，Ｙ方向の変化に対する力、Ｆｘ，
Ｆｙの増加を大となるように、プログラムをインプット
しておき、手段日を側面Ｓ，の方向に移動させることに
より、部品Ｗは側面Ｓ，に当援する。

この場合、＠回転に対する把持剛性が小で、Ｙ方向の把
持剛性が大である故に、部品Ｗは容易回転（この場合角
＠が零になる方向に回転）し、しかも、Ｙ方向へは容易
には変位せず、すなわち、このＹ方向の力Ｆｙの大なる
変化を検出してトＹ方向への移動を停止する。（図示１
点鎖線の位置。）次に側面Ｓ２方向（×方向）へ手段日
が移動させられ、部品Ｗが側面Ｓ２へ当接して、×方向
の力Ｆｘの大なる変化を検出して、手段日が停止させら
れる。

（図示２点鎖線の位置。）かくして、部品Ｗは側面Ｓ，
，Ｓ２に当接した位置に制御されたことになる。

この発明は、前述した実施例以外に、この発明の技術的
思想の範囲内における、種々の変形も、この発明の技術
的範囲に含まれるものである。

この発明は前述したように、各爪の把握力を制御しうる
ようにしたから、把握物品のある方向の把持剛性を大小
に制御することができ、部品組立などの場合における、
適応制御を支障なく実施しうるものである。

【図面の簡単な説明】

図面はいずれもこの発明の一実施例を示し、第１図は把
握手段の斜面図、第２図は第１図の要部斜面図、第３図
は部品把握説明平面図、第４図はコンピュータを含む系
のブロック図である。 １…爪開閉動力（パルスモータ）、２ｃ，３ｂ…円板、
４…円筒コイルばね（弾性体）、５…回転型ポテンショ
メータ（弾性体歪検出手段）、８…回転型ポテンショメ
ータ（爪関度検出手段）、７ａ・・・爪、Ｐ…動力伝達
手段、Ｖ…垂直旋回軸。 弟ー図第２図 髪 ３ １翼 第４図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ ロボツトシステムに設けられた旋回軸、この旋回軸
   に対称的に軸支され、かつ前記旋回軸中心方向にそれぞ
   れ接近遠隔可能の３組の把握爪、前記旋回軸に設けられ
   、前記把握爪をそれぞれ別々に駆動する把握爪開閉動力
   手段、これら各動力手段と前記各把握爪間に設けられ、
   かつ弾性体を連結した動力伝達手段、前記弾性体の前記
   動力手段側と前記把握爪側との間に設けられ、前記各弾
   性体の歪を検出する手段、前記旋回軸と前記各把握爪と
   の間に設けられ、前記各把握爪の開度を検出する手段と
   を具備してなる、ロボツトシステムにおける把握手段。 ２ 前記把握爪開閉動力手段は、パルスモータとし、前
   記弾性体は前記パルスモータによって回転する円板と、
   前記把握爪を開閉するべくした回転円板とにその両端を
   固設したコイルバネとし、前記歪検出手段は、前記両円
   板に、その固定部と回転部とを固設した回転角検出手段
   とした、特許請求の範囲第１項記載の、ロボツトシステ
   ムにおける把握手段。３ コンピユータによって制御さ
   れるロボツトシステムにおいて、旋回軸に対称的に軸支
   され、かつ前記旋回軸中心方向にそれぞれ動力手段によ
   り接近遠隔可能の３組の把握爪の、各把握力を可変とし
   、さらには前記各動力手段との間に弾性体を連結して、
   これら各弾性体の歪量γｉを前記把握爪の開度σｉの関
   数、すなわち▲数式、化学式、表等があります▼ （ただしｂｉｊおよびＣｉは、把持剛性を調節するため
   の定数）として決定し、制御することにより、把握した
   部品の、前記旋回軸と直角の任意方向の把持剛性を制御
   するべくしてなる、ロボツトシステムにおける把握方法
   。